Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 19.10.2024

Просмотров: 126

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

разившись от зеркал, это излучение снова без потерь пройдет через торцовые стенки, так как условия прохождения остаются прежними.

Генерация в ОКГ начинается со спонтанного излучения, которое не поляризовано, но в результате применения окон Брюстера со­ здадутся благоприятные условия для прохождения излучения одной поляризации. Это излучение вызовет в активной среде вынужденные переходы с той же поляризацией. Таким образом, применение окон Брюстера позволяет не только уменьшить потери и облегчить генера­ цию, но также дополнительно получить поляризованное излучение.

Электрический разряд в смеси газов создается в результате при­ ложения постоянного напряжения между катодом и анодом, распо­ ложенными на концах кюветы (см. рис. 12.14). Для облегчения

начала разряда катод иногда делают на­

Р

каливаемым. Существуют конструкции

ОКГ, в которых разряд возбуждается вы­

 

сокочастотным полем (30—50 МГц). В этом

 

случае высокочастотное напряжение при­

 

кладывается между специальным кольце­

' С

вым электродом, расположенным снаружи

трубки.

 

На рис. 12.13 была приведена упрощен-

Рис. 12.15

ная схема энергетических уровней. В дей­ ствительности число уровней очень велико и возможно возбужде­

ние колебаний на нескольких частотах. В гелий-неоновых ОКГ получено инфракрасное излучение (Я = 3,39 и и 1,15 мкм) и види­ мое излучение (Я = 0,63 мкм) с мощностью несколько десятков и сот милливатт.

Выходная мощность зависит от тока разряда, общего давления

вгазовой смеси, соотношения парциальных давлений гелия и нео­ на, диаметра разрядной трубки.

Зависимость выходной мощности от тока разряда показана на рис. 12.15. Сростом тока разряда увеличиваются число электронов

вразряде и населенность возбужденного уровня гелия и верхнего уровня рабочего перехода неона. Увеличение инверсной населенно­ сти приводит к росту выходного излучения. При большом токе разряда (свыше 100—200 мА) выходная мощность уменьшается из-за влияния процесса ступенчатого возбуждения нижнего рабочего уровня неона с метастабильного уровня (уровень 2 на рис. 12.13).

При достаточно больших токах (/ > 400 мА) генерация срыва­ ется.

Зависимость выходной мощности от соотношения парциальных давлений (или концентраций) гелия и неона уже пояснялась ранее. С ростом общего давления в смеси увеличивается концентрация атомов гелия и неона и растет населенность возбужденных уровней и выходная мощность. Однако при высоком давлении, когда кон­ центрация частиц в разряде становится большой, уменьшается длина свободного пробега электронов и соответственно уменьшается энер­ гия, приобретаемая электроном на этом пути в электрическом поле.

205


Последнее приводит к ослаблению процесса передачи энергии от электронов к атомам гелия и в конце концов к падению выходной

мощности.

В гелий-неоновом ОКГ, как и в других газовых ОКГ, концент­ рация частиц невысока, поэтому влияние взаимодействия между частицами на ширину спектральной линии мало. Ширина спектраль­

ной

линии газовых ОКГ порядка

ІО“3—ІО-2 А по

шкале длин

волн. Ширина спектральной линии

генерации газовых ОКГ

са­

мая

минимальная среди всех типов ОКГ и достигает

около 1

Гц.

Дополнительно преимущество газовых ОКГ, в том числе и гелийнеонового, состоит в малой угловой расходимости выходного излу­ чения (порядка угловых минут).

Ионные газовые ОКГ. В гелий-неоновом ОКГ используются энергетические переходы возбужденных атомов, а в ионных ОКГ — переходы между возбужденными состояниями ионов инертных

газов.

В ионных ОКГ применяют чистые инертные газы, без примеси. Поэтому инверсная населенность создается не за счет соударений атомов, а только вследствие электронного возбуждения. Энергети­ ческие уровни основного и возбуждаемого состояния иона располо­ жены гораздо выше уровней возбужденных состояний нейтральных атомов, поэтому вероятность прямого возбуждения этих уровней очень мала. Считается, что заселение уровней ионов происходит в результате ступенчатого возбуждения при соударениях электро­ нов с ионами, находящимися в основном состоянии.

Однако для получения большой мощности необходима высокая концентрация ионов в разряде, т. е. плазма разряда должна быть высокоионизованной. Поэтому применяется дуговой разряд, ха­ рактеризуемый большим током (несколько десятков ампер). Плот­ ность тока достигает 1000 А/см2.

Наибольшее распространение получил аргоновый ОКГ, рабо­ тающий на энергетических переходах между возбужденным состоя­ нием иона Аг+ в видимой области спектра (X = 0,45 — 0,51 мкм). Практически в ионных ОКГ не наблюдалось падения мощности при больших токах разряда. Пока максимально достижимый ток разряда определяется техническими причинами.

Для повышения плотности разряда в ионных ОКГ применяют продольное магнитное поле, которое удерживает заряженные час­ тицы вблизи оси трубки. Использование поля (0,2—0,4 Т) позво­ ляет увеличить выходную мощность в несколько раз. Мощность ионных ОКГ достигает нескольких ватт. При увеличении длины га­ зоразрядной трубки до 2 м удалось получить мощность 30—50 Вт. Однако к. п. д. ионных ОКГ остается очень низким — 0,01—0,1%.

Разряд создается в кварцевой трубке небольшого диаметра (1—3

мм)

с окнами Брюстера. Резонатор образован внешними зеркалами.

Ка­

пилляр

охлаждается проточной водой, чтобы снять большую мощ­

ность,

рассеиваемую на катоде и аноде разрядного промежутка.

Рабочее давление в капилляре составляет десятые доли миллиметра

206



ртутного столба. Магнитное поле создается с помощью соленоида., надетого на разрядную трубку.

Молекулярные газовые <ЖГ. Существенным недостатком ато­ марных и ионных ОКГ является их низкий к. п. д. Эта особенность объясняется тем, что используются уровни, расположенные далеко от основного уровня атомов и ионов. В возбуждении этих уровней участвует небольшая часть имеющихся в разряде электронов. Верхние уровни могут возбуждаться лишь быстрыми электронами, а их доля невелика. При разности энергии между основным и верх­ ним уровнями порядка 20 зВ к. п. д.

оказывается около 5%.

В молекуле, состоящей из несколь­ ких атомов, внутренняя энергия оп­ ределяется не только энергией элек­ тронов атомов, но и энергией колеба­ тельного движения атомов, которая квантуется и характеризуется своими уровнями.

Колебательные

уровни

располо­

жены значительно ближе друг к дру­

гу, чем электронные,

что

облегчает

генерацию колебаний

и позволяет по­

лучить меньшую

частоту

колебаний

и перейти в ИФ-диапазон.

упрощенная структура колебательных

На рис. 12.16

показана

уровней, а также энергетический колебательный уровень 6 моле­ кулы азота, который обычно добавляется в С02 для значительного увеличения мощности. Рабочими переходами в ОКГ на смеси С02 и N2 являются переходы 5—4 в С03 с длиной волны 10,6 мкм или 5—3 (Я = 9,6 мкм). Расстояние между верхним рабочим уров­ нем 5 и основным 1 равно 0,35 эВ.

Процесс создания инверсной населенности рабочего перехода происходит следующим образом. В разряде при неупругих соуда­ рениях с электронами возбуждаются молекулы С02 и N3. Не­ упругие удары электронов вызывают возбуждение колебательных уровней молекулы С02 и азота. Кроме того, имеются неупругие со­ ударения молекул N2 и С02, приводящие к возбуждению верхнего уровня 5. Эффективность возбуждения этого уровня велика, так как он расположен близко к уровню 6 N2. Уровни 6 и 5 имеют большое время жизни. Уровень 4 С02 имеет малое время жизни, так как на­ селенность этого уровня быстро уменьшается из-за безызлучатель­ ной передачи энергии вращательному движению (вращательным состояниям). Этот процесс называют вращательной релаксацией. Времена жизни более низких уровней 3 и 2 также малы, но вслед­ ствие колебательной релаксации. Таким образом, выполняются условия для получения инверсной населенности уровней 5 и 4.

Особенностью ОКГ на С02 является необходимость постоянного движения газа через газоразрядную трубку, так как число молекул

207


С 02 постоянно уменьшается в результате диссоциации на кислород и окись углерода: 2СОг-ѵ 2СО-,; 0 2. Если не восполнять убыль С02, мощность ОКГ через некоторое время заметно уменьшится.

Так же как и в других газовых ОКГ, зависимость мощности от тока разряда имеет максимум. В молекулярном ОКГ использу­ ется тлеющий разряд в трубках большой длины (1—5 м). Напря­ жение на разрядном промежутке достигает 10 кВ, а оптимальный — ток разряда составляет десятки и сотни миллиампер. Из-за особен­ ностей процесса получения инверсной населенности в ОКГ на С02 наблюдается в отличие от гелий-неонового ОКГ слабая зависимость выходной мощности от диаметра газоразрядной трубки. Диаметр трубок может быть увеличен до 10 см, что приводит к увеличению общего числа частиц в объеме и росту мощности. Однако дальней­ шее увеличение диаметра не имеет практического смысла, так как известно, что сечение разряда перестает увеличиваться. Большое сечение разряда и значительная длина трубок позволяют получать очень большие мощности. В отдельных ОКГ эта мощность в не­ прерывном режиме превышает 1 кВт при очень высоком по сравне­ нию с другими газовыми ОКГ к. п. д. (5—15%).

Достоинство ОКГ на С02 состоит еще и в том, что его излучение (А = 10,6 мкм) слабо поглощается в атмосфере.

Конструкции генератора на С02 и гелий-неонового ОКГ имеют много общего. Однако очень серьезные требования предъявляются к конструкции брюстеровских окон и зеркал, в которых может происходить значительное поглощение энергии в ИФ-диапазоне. Усложняет конструкцию и эксплуатацию молекулярных ОКГ не­ обходимость постоянной прокачки углекислого газа через трубку.

ОКГ с использованием фотодиссоциации молекул. Фотодиссо­ циация молекул — это разложение молекул под действием светя. При достаточно высокой энергии первичных фотонов один из атомов распавшейся молекулы может оказаться в возбужденном состоя­ нии, пригодном для получения инверсной населенности. Уровень возбужденного атома используется как верхний уровень рабочего перехода.

Непосредственное оптическое возбуждение атомов для получе­ ния инверсной населенности не нашло широкого применения. Спектральные линии газа очень узкие (около 0,01А), поэтому для получения возбужденных состояний требуется вспомогательное из­ лучение с частотой, точно равной частоте, соответствующей этому состоянию. Поэтому применение обычных источников света с широ­ ким спектром частот малоэффективно.

Известно, что ширина спектра, в котором возможна фотодиссо­ циация примерно в ІО4 раз больше, чем при оптическом возбужде­ нии атомов, и составляет несколько сот ангстрем. В этих условиях уже можно использовать имеющиеся световые источники, например лампы-вспышки. Преимущество ОКГ с фотодиссоциацией по сравне­ нию с газовыми ОКГ с использованием разряда состоит в том, что в нем происходит увеличение населенности одного, а не большого

208